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8月12日,搜狐视频《张朝阳的物理课》“基础科学大会系列对谈”开讲。搜狐创始人、物理学博士张朝阳与宾夕法尼亚大学物理教授、软物质与生命物质研究中心主任刘若微(AndreaJ.Liu),以“复杂的世界:从沙子到智能”为主题展开深度对话。
作为非平衡统计物理领域的标杆学者,刘若微凭借阻塞相变与无序固体领域的开创性成果,先后获2025年美国物理学会LeoP.Kadanoff奖、2026年国际基础科学大会玛丽・居里物理学奖章。
这是《张朝阳的物理课》连续第三年推出科学家对话系列。此前张朝阳已与戴维・格罗斯、徐一鸿、汤大卫等顶尖物理学家对谈,覆盖量子引力、弦理论等前沿方向。本次对话从沙堆、泡沫等日常现象切入,逐步延伸至类脑智能材料、复杂系统涌现、AI认知边界等跨领域议题。
软物质相变:无序堆叠里的固体刚性
固、液、气是大众熟知的物质三态,而软物质往往展现出介于三者之间的奇特性质。刘若微以剃须泡沫为例:其成分约95%为气体,单个气泡毫无硬度,但大量气泡挤压堆叠后,却能保持固定形状,呈现出类似固体的刚性。张朝阳将其类比为建筑横梁结构——单个构件承载力有限,相互支撑后便可形成稳固整体。
为提炼底层物理规律,研究者将颗粒抽象为相互作用的小球:分离时无相互作用,挤压时产生排斥力。刘若微介绍,当小球体积分数接近64%时,体系会发生“阻塞相变”,从可流动状态突变为具有剪切刚性的固体。与水结冰形成规整晶体不同,阻塞相变无需粒子有序排列,仅靠无序拥挤就能实现“硬化”。这套无序固体理论,是理解沙粒、泡沫、玻璃等材料特性的重要基础。
类脑材料网络:物理约束下的低功耗计算
蛋白质变构调控现象启发了刘若微的新探索:小分子在蛋白质局部结合,可引发远端结构与功能改变。以此为思路,她的团队设计出弹簧网络、流管网络、电阻网络等可调材料系统——仅调整局部单元,就能改变整个网络的宏观力学、电学性质,甚至实现负泊松比等特殊效果。
如何精准调整单元以达成目标性质?刘若微发现,这一过程与神经网络训练相似却更高效:传统AI训练需要全局运算调整权重,算力消耗巨大;而材料网络天然遵循物理规律——弹簧网络满足力平衡、流管网络满足流量守恒、电阻网络满足基尔霍夫定律,仅靠局部状态迭代,就能让整体性质逐步逼近目标。
张朝阳认为,这种“局域规则”与人脑运行逻辑高度契合:单个神经元无法感知全脑状态,仅通过邻近信号传递就能完成复杂认知,使人脑仅需20瓦左右功率便可处理海量信息。依托物理系统本身实现“计算”,为低功耗类脑智能开辟了全新研究路径。
规模涌现:当数量增长触发能力质变
当前实验中的可调材料网络规模有限,而智能的能力往往随规模扩张涌现。对话中,一个更本质的问题被提出:为何多数系统规模扩大仅带来体量增长,而大脑、神经网络、生命系统却能随规模提升产生质的飞跃?
刘若微以水为例解释:一滴雨水与整片海洋尺度悬殊,却可用同一套流体方程描述,仅靠温度、压力等少数宏观量就能刻画整体行为,“更多”不会催生新属性。但生命与智能系统截然不同——小型神经网络只能完成简单任务,规模扩张后可涌现复杂能力;单个细胞经发育分化,能形成器官与大脑,演化出复杂生命功能。她将这种规律总结为“manymoreismoredifferent”:数量的积累,可能触发系统能力的质变。
在刘若微看来,这背后或许蕴藏着一种新的凝聚态物理,其不仅与AI、神经科学相关,更有望为理解生命发育等生物现象提供新视角。张朝阳同样认为,厘清简单单元靠局部相互作用、随规模扩大涌现复杂功能的机制,是从物理角度探索生命与智能起源的关键路径。
AI的边界:答案易得,好问题难求
互动环节中,AI与人类认知的边界成为关注焦点。张朝阳坦言,AI给出答案后,人们必须留出同等时间独立思考,否则大脑能力会退化。面对前沿且存疑的科学问题,不能直接采信AI结论,而要主动比对不同观点,保持批判性思维。
刘若微从科研本质出发判断:AI擅长输出答案,即便答案未必始终正确;但物理学最核心的能力是提出问题,越是新颖独特的问题,越有学术价值。她强调,大语言模型与人脑在数据输入、学习方式、物理基础上存在根本差异,AI会承担大量差异化工作,但绝不会简单取代人类。
针对青年学者成长,刘若微给出务实的方向选择标准:以“能接受哪种出错方式”判断适配领域——无法忍受实验设备故障,或不适合实验研究;难以接受反复调试程序,或不适合计算研究;愿意耗费大量时间核对推导细节,则更适配理论研究。她同时强调,基础科学与应用研究并无高下之分,找到真正激发热情的问题才是核心。
谈及学术文化,刘若微认为,当前物理学界存在过度竞争的倾向,部分学术讨论演变为“比谁更聪明”的竞赛,易让年轻人产生自我怀疑。“物理本身非常难,所有人都会觉得自己很笨。”她坦言,即便资深学者也常有认知盲区,真正重要的是接纳无知、保持好奇、大胆提问。
张朝阳以“业余者的优势”呼应:脱离考核压力后,纯粹的好奇心反而能驱动更深入的探索,看似简单的问题,往往可能孕育新突破。二人共同呼吁,健康的学术生态需要包容的环境,允许不成熟的问题存在,摆脱“聪明竞赛”的氛围,才能真正保护好奇心,滋养科学创新。(战钊)
